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静态单赋值(SSA)

西风逍遥游大约 4 分钟

静态单赋值(SSA)

静态单赋值(Static Single Assignment,SSA)是一种中间表示形式,其中每个变量只能被赋值一次。这种表示形式在编译器优化中非常有用,因为它简化了数据流分析和转换。在这篇文章中,我们将介绍SSA的基本概念,以及如何将常规的控制流图(Control Flow Graph,CFG)转换为SSA形式。

核心特征:

  1. 每个变量只能被赋值一次
  2. 使用phi函数来处理不同控制流的赋值

SSA形式与非SSA形式的对比

为了更好地理解SSA形式,让我们通过一个简单的例子来对比SSA形式和非SSA形式的代码。

非SSA形式的代码

考虑以下简单的代码片段:

int x = 1;
if (condition) {
    x = x + 1;
} else {
    x = x * 2;
}
y = x + 3;

这段代码中,变量x被多次赋值,这就是非SSA形式的特点。我们可以绘制这段代码的控制流图:

SSA形式的代码

现在,让我们看看等价的SSA形式:

int x1 = 1;
if (condition) {
    int x2 = x1 + 1;
} else {
    int x3 = x1 * 2;
}
int x4 = φ(x2, x3);  // phi函数,根据控制流选择x2或x3
int y = x4 + 3;

在SSA形式中,每个变量只被赋值一次,我们使用不同的变量名(x1, x2, x3, x4)来表示不同控制流路径上的值。φ函数(phi函数)用于合并不同控制流路径上的值。

使用SSA的好处

SSA形式的中间表示有许多优点,这使得它在现代编译器中被广泛采用:

  1. 简化数据流分析:由于每个变量只被赋值一次,变量的定义和使用关系变得更加清晰,这大大简化了数据流分析的复杂性。
  2. 消除假依赖:在传统的中间表示中,变量可能被多次赋值,这会导致一些假依赖关系。而在SSA形式中,每个变量只有一个定义点,消除了这些假依赖。
  3. 优化机会增加:SSA形式使得许多优化算法(如常量传播、值编号、死代码消除等)变得更加有效和容易实现。
  4. 更好的寄存器分配:SSA形式可以帮助编译器更准确地确定变量的生命周期,从而进行更有效的寄存器分配。
  5. 并行性分析:SSA形式使得识别程序中的并行执行机会变得更加容易,因为数据依赖关系更加明确。
  6. 更容易实现全局优化:由于SSA形式提供了更清晰的变量定义和使用信息,全局优化算法可以更容易地识别和利用优化机会。
  7. 简化编译器后端:SSA形式可以简化编译器后端的实现,因为许多优化和分析算法在SSA形式上更容易实现。
  8. 更好的调试信息:SSA形式可以提供更准确的变量定义和使用信息,这对于生成调试信息和进行程序分析非常有用。

总的来说,SSA形式通过简化变量的定义和使用关系,为编译器优化提供了更多的机会和更简单的实现方式。

如何将常规的控制流图(CFG)转换为SSA形式

计算支配树和支配边界

在一个控制流图中,支配关系(Dominance Relation)是非常重要的概念,它描述了要想到达一个结点,你必须经过哪些结点,这样就可以帮助我们快速决定一个结点中的变量,会被哪些结点中的变量修改所影响。 用数学语言描述就是:对于有向图 G,有起点 S 和终点 D,从 S -> D 存在许多条路径,在所有路径中都经过的点称为支配节点。在 S -> D 中可能存在很多支配点。这里,如果对应一个函数的话,S 就是函数的入口,D 就是函数的所有返回语句所在结点指向的一个共同结点。

支配树(Dominator Tree)是控制流图(CFG)每个结点的直接支配结点组成的树。这个树结果可以帮助我们快速了解每个结点被哪些结点支配。

而支配边界(Dominance Frontier)是控制流图(CFG)每个结点的支配边界。支配边界是支配结点中,不支配该结点的结点。简单理解就是,一个支配结点其实隐含了一个作用范围,在范围里,所有变量都会受到支配结点的影响。而支配边界就是,这个范围的边界。

插入φ函数

变量重命名